Der Nährstoffkreislauf ist einer der wichtigsten Prozesse in einem Ökosystem. Der Nährstoffkreislauf beschreibt die Verwendung, Bewegung und das Recycling von Nährstoffen in der Umwelt. Wertvolle Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Phosphorund Stickstoff sind lebenswichtig und müssen recycelt werden, damit Organismen existieren können. Nährstoffkreisläufe umfassen beide Leben und nicht lebende Komponenten und beinhalten biologische, geologische und chemische Prozesse. Aus diesem Grund werden diese Nährstoffkreisläufe als biogeochemische Kreisläufe bezeichnet.
Biogeochemische Zyklen können in zwei Haupttypen eingeteilt werden: globale Zyklen und lokale Zyklen. Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff werden durch abiotische Umgebungen einschließlich der recycelt Atmosphäre, Wasser und Boden. Da die Atmosphäre die wichtigste abiotische Umgebung ist, in der diese Elemente geerntet werden, sind ihre Zyklen globaler Natur. Diese Elemente können große Entfernungen zurücklegen, bevor sie von biologischen Organismen aufgenommen werden. Der Boden ist die wichtigste abiotische Umgebung für das Recycling von Elementen wie Phosphor, Kalzium und Kalium. Als solche ist ihre Bewegung typischerweise über eine lokale Region.
Kohlenstoff ist für alles Leben essentiell, da er der Hauptbestandteil lebender Organismen ist. Es dient als Backbone-Komponente für alle organische Polymere, einschließlich Kohlenhydrate, Proteine, und Lipide. Kohlenstoffverbindungen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) zirkulieren in der Atmosphäre und beeinflussen das globale Klima. Kohlenstoff wird zwischen lebenden und nicht lebenden Bestandteilen des Ökosystems hauptsächlich durch die Prozesse der Photosynthese und Atmung zirkuliert. Pflanzen und andere photosynthetische Organismen gewinnen CO2 aus ihrer Umgebung und bauen daraus biologisches Material auf. Pflanzen, Tiere und Zersetzer (Bakterien und Pilze) CO2 durch Atmung in die Atmosphäre zurückführen. Die Bewegung von Kohlenstoff durch biotische Bestandteile der Umwelt ist als schneller Kohlenstoffkreislauf bekannt. Es dauert erheblich weniger Zeit, bis sich Kohlenstoff durch die biotischen Elemente des Zyklus bewegt, als bis er sich durch die abiotischen Elemente bewegt. Es kann bis zu 200 Millionen Jahre dauern, bis sich Kohlenstoff durch abiotische Elemente wie Felsen, Boden und Ozeane bewegt. Daher ist diese Kohlenstoffzirkulation als langsamer Kohlenstoffkreislauf bekannt.
Stickstoff ist ähnlich wie Kohlenstoff ein notwendiger Bestandteil biologischer Moleküle. Einige dieser Moleküle umfassen Aminosäuren und Nukleinsäuren. Obwohl Stickstoff (N2) in der Atmosphäre reichlich vorhanden ist, können die meisten lebenden Organismen Stickstoff in dieser Form nicht zur Synthese organischer Verbindungen verwenden. Luftstickstoff muss zuerst von bestimmten Bakterien fixiert oder in Ammoniak (NH3) umgewandelt werden.
Sauerstoff ist ein Element, das für biologische Organismen essentiell ist. Die überwiegende Mehrheit des Luftsauerstoffs (O2) stammt aus Photosynthese. Pflanzen und andere photosynthetische Organismen verwenden CO2, Wasser und Lichtenergie, um Glukose und O2 zu produzieren. Glucose wird zur Synthese organischer Moleküle verwendet, während O2 in die Atmosphäre freigesetzt wird. Sauerstoff wird durch Zersetzungsprozesse und Atmung in lebenden Organismen aus der Atmosphäre entfernt.
Phosphor ist ein Bestandteil von biologischen Molekülen wie RNA, DNA, Phospholipideund Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist ein hochenergetisches Molekül, das durch die Prozesse von Zellatmung und Gärung. Im Phosphorkreislauf zirkuliert Phosphor hauptsächlich durch Boden, Gesteine, Wasser und lebende Organismen. Phosphor liegt organisch in Form des Phosphations (PO43-) vor. Phosphor wird dem Boden und dem Wasser durch Abfluss zugesetzt, der durch die Verwitterung von Gesteinen entsteht, die Phosphate enthalten. PO43- wird von Pflanzen aus dem Boden aufgenommen und von Verbrauchern durch den Verzehr von Pflanzen und anderen Tieren gewonnen. Phosphate werden durch Zersetzung wieder in den Boden eingebracht. Phosphate können auch in Sedimenten in Gewässern eingeschlossen werden. Diese phosphathaltigen Sedimente bilden im Laufe der Zeit neue Gesteine.